华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室青年研究员Konstantin E. Dorfman与合作者提出了一种新的研究光学谐振腔内分子极子多维光谱的方法，为激光稳定过程、化学反应的超快行为和相干控制研究开辟了新的途径。

1946年，Purcell提出了腔量子电动力学, 1963年Jaynes 和 Cummings提出了量子辐射理论用于微波激光束。后来Haroche 和 Kleppner在1980年发展了完整的腔量子电动力学框架，用于描述光学腔内部光与物质相互作用，并获得2012年诺贝尔物理学奖。光学腔内原子的缀态被广泛应用于量子、非线性和激光冷却等领域。最近，人们发现可以通过把分子的电子态、振动态和腔辐射模式耦合的方式来研究分子。通过腔极子效应来改变势能面，从而控制化学反应的速率和产出，开辟了腔光谱学和化学相结合的新的研究方向。

Konstantin E. Dorfman和Shaul Mukamel发展了一种新型的基于非经典光源的非线性光谱学，相关成果发表在2016年的Review of Modern Physics上。跟多维相干技术不同，非相干技术测量自发辐射光，这种信号控制的关键是基于单光子探测。这种情况下，测量模式是单光子数量测量或者是成对光子的相干测量。因此，除了常用的时间和光谱的信息，还可以控制散射光的统计信息。这些光子的相干信号可以作为其他多维光谱测量的补充。比如当今医学上常用的核磁共振可以拓展到单光子层级。因此，纵然腔量子电动力学和多维测量已经存在了几十年，它们从来没有被用到超快单光子光谱的测量。所以，在单光子层级研究分子动力学是物理学家和化学家的重要研究课题。

图1. 文章第一作者及通讯作者 Konstantin E. Dorfman研究员

根据Purcell效应，强相干归因于腔内部辐射态密度的增强，从而导致腔模式光子辐射的显著增强。原子和光子组成的激子态可以用Jaynes–Cummings模型来解释，这个模型是量子光学的基石。Konstantin E. Dorfman用了一个广义的J-C模型，这个模型中腔和场的关联是时间相关的，所以有时间相关的JC本征态。它们的自发辐射可以用时频分辨的光子门控探测到。实际应用包括超快单光子上转换机制或者太赫兹扫描隧道显微镜。当物质和场耦合的变化大于耦合本身的倒数的时候，就必须要优化瞬间光谱分辨率。Konstantin E. Dorfman用1960年以来常用的只用一个参数来同时控制时频分辨率的物理光谱比较了门控。他发现时频门控能够分辨很多物理光谱不能够探测的动态特征。

图2 （左）原子在腔内辐射，腔外两个时频分辨的探测器记录非腔模式的光子的偶然事件；（右）缀态原子和与其耦合的JC极子的Fock态和时间演化，垂直黑色虚线表示光谱仪测量到的不同阶梯态之间的跃迁

图3 二维时频门控的解释。（左）光子数 vs 时间和频率；（右）光子偶然事件 vs 双光子的双频率，其中时控门参数是固定的

对于腔的慢调控，时频门控不是必须的，物理光谱就足够了。对于快调控，当时间尺度和频谱宽度的乘积跟不确定性极限接近的时候，物理光谱失效，这时就需要时频分辨的门控。这种复合计数提供了比光子计数更多的信息。二维光谱体现了不同的缀态原子间关联的重要性，因为光子对可以从两个JC阶梯态的叠加态产生。所以可以提供分子间通过场和腔关联的信息，而谱线形状则提供环境波动的信息。基于单光子计数和相干测量的多维光谱技术可以广泛应用于腔内光化学和光物理的研究。

相关成果以“Multidimensional photon correlation spectroscopy of cavity polaritons”为题发表在PANS, [115(7), 1451-1456 (2018)]上。该工作由华东师范大学的Konstantin E. Dorfman研究员和加州大学尔湾分校的Shaul Mukamel 教授合作完成，华东师范大学为第一完成单位，Konstantin E. Dorfman研究员为本文的第一作者及通讯作者，Shaul Mukamel教授为共同通讯作者。

文章链接：http://www.pnas.org/content/115/7/1451